摘 要： CIMS （计算机集成制造系统）是将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合。本文通过CIMS这一高效、高自由度的系统在机床上下料自动化行业的应用，介绍了基于CIMS机床上下料自动化系统的控制结构特点及工作流程。
关键词： CIMS；直角坐标机械手；自动化；数控机床
0 引言
我国企业传统生产经营虽然在近期有了长足的进步，但效率依然有待提高，费时误工依然是明显的不足。CIMS的引入能够很好地改善这一缺点，提高整个企业运行过程的效率、降低成本，提高企业的核心竞争能力。CIMS是21世纪最主要的生产和管理模式，CIMS的应用将大大提高企业的核心竞争力[1-3]。
CIMS是一种非常先进的技术，国内外对此的研究有很多。贠海涛、张强提出了建立CIMS环境下的可靠性信息系统平台的思想，针对数控机床的可靠性预计问题，研究了CIMS环境下数控机床可靠性预计的过程与方法，并开发了相应的工具软件[4]。冯立刚提出了把企业业务流程再造的方法结合到CIMS环境下的重要意义，并且较为详细地论述了几个关键的技术，提出了CIMS环境下企业业务流程再造的方法[5]。张彩虹、臧良震、张兰等对3种常用的能源政策评价模型——自上而下分析模型、自下而上分析模型和混合模型进行概述，并对各种模型的具体分类进行说明，在此基础上对模型在碳减排中的成本定价问题进行分析，并介绍了近年来发展较快的CIMS模型[6]。邱胜海、樊树海等人分析了CIMS环境下影响车间设施规划方案评价的若干经济及非经济因素的定性与定量要素，建立了层次化的车间设施规划方案综合评价指标集及指标体系，给出了基于层次分析法（AHP）的详细实现步骤。采用加权综合评价、多级模糊数学评价等多种评价方法，以曲轴零件生产车间设施规划为例，对其规划方案进行了验证[7]。
机床上下料自动化对于我国来说还不被大众知晓，还有待于长足的发展。不过在发达国家例如美国、德国、英国以及日韩等国，早在上世纪90年代，机床上下料自动化系统就已经到了非常发达的地步。上下料直角坐标机械手或6轴机器人与数控机床相结合，可以实现工件的自动抓取、上料、下料、装卡、加工等所有的工艺过程，解放了生产力，使生产效率成倍增加。适用于那些大批量、小型零部件的加工，如机械加工标准件、轴承套（座）、汽车壳体、金属冲压结构件等。
1 CIMS的优势
1.1 传统的加工方法
目前的整线机加工自动化和单机机加工自动化系统由上下料机械手或6轴机器人、数控机床、上料台系统、下料台系统、过渡站系统、检测系统组成。通常采取的设备间连线方式是数控系统与相邻的上下料机械手或机器人之间以数字量I/O或者总线方式进行连线，如图1所示。
交互信号包括机床的自动门是否打开、卡盘是否打开、检测机是否准备好等。整线机加工自动化系统中通常有多个机械手或机器人。机械手和机器人为保证加工工序是线性流向，选择所有机械手或者机器人都安装在同一导轨上的方式（如图1），但是，这样的方式有一个弊端，那就是在运行过程中，可能出现两个或者多个机器人发生干涉。因此，为消除两个机械手或机器人可能发生的干涉现象，所有的机械手或机器人之间还需要在运动至干涉区域内发送一个信号，其他机器人接收到信号之后可以按照一定的规则以避免机器人之间相互碰撞。这样的方法虽然解决了干涉碰撞的问题，但是这样的方法只适合于按照一个成熟的程序进行加工，一旦加工流程有一点改变，就必须对所有的设备程序进行修改，因此这样的方法都应用在加工流程已经非常成熟的环境。
1.2 CIMS的优势
在现有的机床上下料系统中引入CIMS系统之后，能够将生产线中所有设备的运行状况进行统一采集，对各设备的动作和各设备间的衔接进行统一调度、控制。CIMS的组成可分为四个功能子系统和两个支撑系统，分别是工程设计自动化系统、制造自动化子系统、管理子系统、质量保证子系统、计算机通信网络支撑子系统和数据库支撑子系统，如图2所示。
CIMS继承了计算机通信网络的可靠性高、硬件扩展灵活等优点，可以通过现有的多种集成开发环境开发针对各类设备的通信接口，结合数据库系统对产品在各个机床上的加工情况进行采集。如遇到加工节拍非常高的系统，可以利用PLC对机器人各部分进行控制。
2 设计实例
新松机器人自动化股份有限公司为某轮毂机加工生产线设计了一款基于CIMS的机床上下料自动化系统。
2.1 控制网络结构
该系统将CIMS控制系统运行于总控工控机之上，选择以太网与所有机械手控制器和机床数控系统、检测机、激光打标机进行通信。通信内容包括安全软信号、机械手示教作业调度、工件加工参数等。所有的机械臂之间采取数字量I/O互连干涉区安全信号，机械手和机床之间连接动作通过I/O信号相连，这样就可以实时观测系统各部分的信号。CIMS控制系统通过以太网远程I/O模块对过渡站、上料台、下料台、定位机、倒角机等外围设备进行控制。该控制结构尽最大可能地把从顶层的系统总控制器到底层执行设备之间的网络做到扁平化，以提高全线顶层调度指令到底层执行设备之间的传输效率。
2.2 该系统中CIMS的功能
该系统采用MFC开发实现了下列功能：
（1）轮毂机加工生产线系统加工动态的监控；
（2）轮毂机的加工工艺输入以及机器人之间的调度；
（3）应付突发事件的报警功能；
（4）为客户提供网络服务；
（5）支持MCS调度；
（6）通过各类工业总线进行通信；
（7）加工所需的各种原料和工具的统计和管理；
（8）仿真更加切合实际，更易懂；
（9）对于某些产品的抽检管理。
上述9大功能中，对于机械加工中所需要的刀具、加工流程的控制，与传统的加工方法相比，上下料时人工修改设备参数的次数已经降到了最低限度，真正做到了机械加工的全线自动化。
2.3 CIMS对全线设备的调度流程
CIMS控制系统采用I/O模块发出上料信号，这时上料台开始上料，毛坯料或者半成品移动至正确的位置并发出信号，CIMS控制系统收到该到位信号后控制机械手1到上料台取料作业，机械手1完成取料，CIMS系统调度机械手1给机床1上料，机械手1完成上料，接受CIMS命令到上料台再次取料，机床1加工完成，CIMS调度机械手1对机床1加工件进行换料，并将加工完成的工件放在过渡站1上；CIMS调度机械手2到过渡站1上取料，并将工件送入机床2中，然后到过渡站前等待R1再次给过渡站上料；机械手2从过渡站上取第2件工件，然后给机床2进行换料，并把机床2加工完成的工件放入检测机进行检测，检测机对工件进行检测，把该工件的测试数据通过以太网发送给CIMS，CIMS把该数据存入数据库，同时CIMS对该加工参数进行判别，如果第一序或者第二序加工参数有偏差，则CIMS针对该偏差调整机床1或者机床2的加工参数；然后机械手3到检测机取出工件，并将其送入立加1中进行加工；立加1加工完成后，由机械手3将该工件放在过渡站2上，由机械手4来取料。机械手4将过渡站2上的工件取出并送入立加2中进行加工，加工完成后，对立加2进行下料，把该工件送入下料台上。激光打标机根据CIMS系统中对该工件的加工参数和序列号进行激光二维码标记，CIMS控制系统将该工件的二维码标记与加工参数进行绑定存入数据库，方便进行产品加工参数追溯。
2.4 CIMS控制系统的扩展
目前人工成本迅速增加，越来越多的企业将目光投向了机器人，其智能制造和无人值守已经得到了越来越多企业的青睐。所以该项目中CIMS系统特别预留了MES系统的网络接口和软件接口，以满足将来用户对扩展为数字工厂的需求。
3 结束语
CIMS系统在机床上下料自动化系统的应用推动了机床上下料自动化的发展，替代了传统的单机互连型系统，提高了设备的可靠性，提高了自动化生产水平，有效地解决了传统机床上下料自动化生产线中产品追溯的问题，并且解决了机床数控系统相关参数的在线修改等问题。同时为企业的标准化、规范化、信息化建设奠定了基础。
参考文献
[1] 王移风，汪琛琛，曹衍龙，等.数控机床几何误差的辨识研究[J].机械设计与制造，2014，2（2）：136-139.
[2] 张宝深.计算机信息技术在互联网中的应用探讨[J].计算机光盘软件与应用，2013（2）：44-45.
[3] 赵彬，刘振宇，邹风山，等.单臂SCARA真空手运动学建模与仿真[J].机械设计与制造，2014，8（8）：183-185.
[4] 贠海涛，张强.CIMS环境下数控机床可靠性预计系统的研究与开发[J].制造技术与机床，2003（11）：26-27.
[5] 曹立刚.基于CIMS环境下的制造企业流程再造研究[D].成都：成都理工大学，2012.
[6] 张彩虹，臧良震，张兰.能源政策模型在碳减排应用中的差异和CIMS模型的发展[D].北京：北京林业大学，2013.
[7] 邱胜海，樊树海，高成冲，等.环境下车间设施规划方案综合评价方法研究[J].现代制造工程，2014（4）：1-6.